Defektbildung an Silizium-Elektroden verhindern

Jülicher Forscher haben detailgenau beobachtet, wie sich die Defekte in Silizium-Anoden ausbilden. Aus ihren Untersuchungen leiten sie Vorschläge ab, wie sich die Stabilität der Silizium-Anoden verbessern lässt. 

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Ein internationales Team um Forscher des Jülicher Instituts für Energie- und Klimaforschung hat in hoher Detailgenauigkeit beobachtet, wie sich Defekte in Silizium-Anoden ausbilden. Dabei entdeckten sie bislang unbekannte strukturelle Inhomogenitäten in der Grenzschicht zwischen Anode und Elektrolyt. Die Forschungsergebnisse sind in der Fachzeitschrift "Nature Communications" erschienen.

Silizium-basierte Anoden können in Lithium-Ionen-Akkus prinzipiell neunmal so viel Ladung speichern wie der üblicherweise verwendete Graphit, bei gleichem Gewicht und gleicher Größe. Doch in der Praxis machen solche Akkus mit Silizium-Anoden nach wenigen Lade-Entlade-Zyklen schlapp. Das Team um die Jülicher Forscher Dr. Chunguang Chen und Professor Peter Notten hat Vorschläge unterbreitet, wie sich die Stabilität der Silizium-Anoden möglicherweise verbessern lässt.

Detailreiches Bild über die Ladevorgänge

Die Untersuchungen zeichnen laut den Forschern ein detailliertes Bild vom Ablauf beim Ladevorgang: Lithium-Ionen aus dem flüssigen Elektrolyten wandern zur atomar glatten Oberfläche des Silizium-Kristalls. Dort entstehen nacheinander zwei Schichten einer sogenannten Festkörper-Elektrolyt-Grenzfläche (Solid Electrolyte Interphase, kurz: SEI).

Die erste "innere" SEI-Schicht, bestehe hauptsächlich aus Lithiumfluorid und anderen anorganischen Lithiumverbindungen, so die Wissenschaftler. Die "äußere" zweite SEI-Schicht sei weicher und enthalte hauptsächlich organische, also kohlenstoffhaltige Lithiumverbindungen. Zeitgleich zur Bildung der äußeren SEI-Schicht wanderten Lithium-Ionen in den Silizium-Kristall unterhalb der SEI ein: Dort entstehe eine amorphe, also nicht-kristalline Lithium-Silizium-Legierung.

Inhomogenitäten in der Grenzschicht

"Bemerkenswert ist, dass sich die SEI nicht überall einheitlich – homogen – ausbildet, sondern dass es vor allem in der äußeren SEI-Schicht dickere und dünnere Bereiche sowie Bereiche mit stark unterschiedlicher Lithiumionen-Beweglichkeit gibt", erläutert Chunguang Chen. Das habe gravierende Folgen: Auch die Lithium-Silizium-Legierung unter der SEI bilde sich trotz des ursprünglich perfekten Silizium-Kristalls nicht homogen aus. Es entstünden direkt beim ersten Ladevorgang Bereiche mit unterschiedlich hohem Lithium-Anteil sowie Risse und andere Defekte an der Grenze zwischen amorpher Legierung und Kristall.

"Bei weiteren Lade-Entlade-Vorgängen erweisen sich diese Defekte als Ausgangspunkte für eine Verformung der gesamten Anode", sagt Peter Notten. Denn beim damit verbundenen zyklischen Ein- und Ausbau der Lithium-Ionen dehne sich die amorphe Legierungsschicht um bis zu 300 Prozent aus und schrumpfe dann wieder. Diese Volumenänderung setze den Siliziumkristall darunter unter Spannung. Dieser Spannung gebe der Kristall dann bevorzugt an den Defekten nach.

Unterdrückung der Defekte beim ersten Ladevorgang

"Will man die strukturelle Stabilität der Anode beim zyklischen Laden und Entladen der Batterie erhöhen, muss man bereits die Entstehung der Defekte unterdrücken, die beim ersten Ladevorgang entstehen", folgert Chen. Erfolgversprechender Ansatzpunkt sei es, für eine möglichst homogene Ausbildung der inneren SEI zu sorgen.

Um die Defektbildung an der Grenze zwischen Siliziumkristall und Lithium-Silizium-Legierung zu beobachten, setzen die Forscher die Vollfeld-Röntgenbeugungs-Mikroskopie (Full Field Diffraction X-ray Microscopy) ein. Die Untersuchungen mit dieser neuen Methode führten sie an der Europäischen Synchrotron-Strahlungsquelle ESRF in Grenoble, Frankreich, durch. Die innere und äußere SEI untersuchten sie dagegen im Forschungszentrum Jülich mit der in-operando-Rasterkraftmikroskopie (AFM), der Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) und der elektrochemischen Dehnungsmikroskopie (ESM).